COME FUNZIONA IL SISTEMA SATELLITARE GPS

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TARTA
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COME FUNZIONA IL SISTEMA SATELLITARE GPS

Messaggio da TARTA »

Il GPS si sta diffondendo sempre di più, ma esiste ancora una certa diffidenza da parte di molti. Vuoi per il prezzo vuoi per una presunta utilità/inutilità.

CONOSCERE IL SISTEMA GPS
Il GPS è l'acronimo di Global Positioning System (sistema di posizionamento globale), inizialmente chiamato Navstar GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging GPS). Il sistema fu inventato negli anni 70 (ma divenne pienamente operativo negli anni 90) dal dipartimento della difesa degli Stati Uniti, per fornire all'esercito, alla marina e all'aeronautica un sistema di orientamento preciso e affidabile in ogni condizione atmosferica. Successivamente si è reso disponibile l'uso anche in ambito civile.
La prima costellazione sperimenta di satelliti (11) è stata lanciata nel periodo dal 1978 al 1985 per diventare operativo l'8 dicembre 1994 con 24 satelliti attivi; a questi satelliti se ne aggiungono altri con la funzione di riserva in caso di inaccessibilità a quelli principali.

IL SISTEMA
E' composto da tre parti separate:
Il segmento di controllo
Il segmento dello spazio
Il segmento dell'utente.

SEGMENTO DI CONTROLLO
E' formato da cinque stazioni terrestri (MS Monitor Station) nelle basi dell'Aeronautica Americana localizzate in:
Colorado Springs (America continentale)
Hawaii (Oceano pacifico)
Ascension Island (Oceano atlantico)
Diego Garcia (Oceano indiano)
Kwajalein (Pacifico occidentale)
Le stazioni terrestri monitorano costantemente i satelliti, correggendone l'orbita, mantenendo sincronizzati i loro orologi atomici e ritrasmettendo loro la localizzazione precisa e i dati di sincronizzazione. I dati raccolti vengono inviati e gestiti ad un centro di coordinamento principale (MCS Master Control Station). A queste strutture si aggiunge il GCS (Ground Control Station), mezzo di collegamento tra i satelliti.

SEGMENTO DELLO SPAZIO
I satelliti che formano la costellazione GPS sono 24, orbitando ad un altitudine di 20.200 km. Ci sono 6 orbite con 4 satelliti ognuna, che ogni satellite compie in 12 ore (poco di meno in realtà). Le orbite sono disposte in modo tale che in ogni momento, almeno 4 satelliti siano visibili da qualunque punto della terra. Ogni satellite trasmette costantemente dei segnali radio in codice contenenti i dati sulla sua localizzazione e velocità, e alla localizzazione di tutti gli altri satelliti rispetto a se stesso. Tutti i satelliti comunicano fra di loro per sapere dove si trovano. La precisione è dovuta alla presenza di 4 orologi atomici di cui 2 al Cesio e 2 al Rubidio; i satelliti sono anche dotati di razzi per poter correggere la propria orbita e di pannelli solari per alimentarsi. In caso di scarso apporto energetico (eclisse solare), il satellite trae energia da una batteria di emergenza.

SEGMENTO DELL'UTENTE
E' costituito da tutti i ricevitori GPS del mondo. Poiché tutto quello che serve ad un ricevitore GPS per conoscere la sua posizione sono i segnali trasmessi dai satelliti (l'unità gps non trasmette nulla), non c'è limite al numero degli utenti.

PERCHE' UN RICEVITORE GPS?
I vantaggi di un GPS portatile rispetto ai normali sistemi di orientamento sono numerosi. Funziona 24 ore al giorno, in qualunque condizione atmosferica e in qualunque parte del mondo, e può stabilire la posizione con uno scarto inferiore ai 10 mt (con i sistemi attuali la precisione può arrivare anche a 1 o 2 mt in condizioni ideali).
Il GPS ha varie caratteristiche principali che lo rendono particolarmente utile in caso di escursione in zone lontano dalla civiltà:
Può segnalare la posizione in modo accurato ed estremamente preciso, anche in caso di visibilità zero.
Può fornire la direzione dove si trova il nostro obiettivo, e quanto dista.
Può registrare la propria posizione attuale così da consentire di ritrovare la strada per tornarci.
Può registrare l'itinerario appena percorsa in modo da ripercorrerlo al contrario ( trackback ) come una specie di "pollicino" digitale.

I LIMITI DEI RICEVITORI GPS
Quando si viaggia NON non si dovrebbe mai fare affidamento al SOLO GPS per il semplice motivo che è un apparecchio elettronico e quindi suscettibile di malfunzionamenti: può danneggiarsi, si possono esaurire le batterie. Inoltre, a meno di non possedere un ricevitore cartografico, abbiamo la necessità di portare comunque una mappa cartacea. Pertanto, durante una semplice escursione all'aperto, si può utilizzare occasionalmente il ricevitore per verificare la posizione, e fare ricorso ad altri mezzi d'orientamento. In questo caso il GPS economizza le batterie, utili in caso di emergenza. Ma il modo d'utilizzo dipende dalle nostre necessità. Se i luoghi frequentati sono spesso gli stessi e ben conosciuti, il gps può diventare pressoché superfluo ed utilizzarlo esclusivamente come fosse un ciclocomputer, per esempio, per vedere i vari dati.
Il ricevitore funziona in base ad una chiara ricezione di segnali radio; pertanto non funzionerà in modo appropiato nelle zone in cui la ricezione è molto bassa o bloccata da ostacoli (la capacità di rilevare i segnali satellitari dipendo molto dal tipo di chipset utilizzato dal ricevitore). Luoghi tipici dove i ricevitori NON funzionano:
L'interno di edifici. In realtà, avvicinandosi alle finestre, con un ricevitore di ultima generazione è comunque possibile ricevere il segnale.
L'interno delle grotte.
Sott'acqua.
Tutte le situazioni dove il cielo sopra il ricevitore è pesantemente oscurato.
Luoghi dove la ricezione può essere bassa o irregolare:
Le strade di città che passano tra costruzioni elevate.
Le gole o le valli profonde.
Le giungle o le foreste particolarmente fitte.

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PRECISIONE DEGLI OROLOGI ATOMICI
Senza la precisione estrema fornita dagli orologi atomici, il sistema GPS non funzionerebbe. L'accuratezza di una posizione GPS dipende dalla precisione delle misurazioni dei tempi impiegati dai segnali radio che viaggiano alla velocità della luce (circa 300.000 km/s) tra i satelliti e il ricevitore. Un errore di un millisecondo può generare un errore di 320 km nel calcolo della posizione. Gli orologi atomici consentono di misurare questi tempi con una precisione calcolata in nanosecondi.
..................................................

FONTI DI ERRORE
Ci sono molti fattori che possono generare errori in un ricevitore GPS. La maggior parte incide proprio sui segnali radio che viaggiano dai satelliti al ricevitore. Altri errori riguardano gli orologi atomici o nella localizzazione dei satelliti.
1) L'interferenza ionosferica
Quando un segnale radio passa attraverso le particelle della ionosfera (la regione dell'atmosfera dai 60 ai 1000 km al di sopra della superficie terrestre), e poi attraversano le nuvole di vapore acqueo presenti nella troposfera, viene rifranto. Questo processo genera lievi errori di sincronizzazione perché il segnale segue un percorso che è leggermente più lungo rispetto ad una linea retta.
Questa interferenza può essere affrontata in due modi:
Modellazione dell'errore.
Misurazione della doppia frequenza.
La modellazione dell'errore utilizza un modello matematico che prevederà quale sarà l'errore tipico causato dalla ionosfera e troposfera in un giorno tipico. I ricevitori GPS civili usano questo metodo. Il metodo della doppia frequenza è più accurato, ed è utilizzato dai ricevitori militari. I segnali radio di frequenze diverse vengono rifranti differentemente. Misurando la differenza temporale tra questi due segnali, si può calcolare l'esatto effetto di rifrazione. I satelliti trasmettono entrambi i segnali su due frequenze chiamate L1 e L2. I ricevitori civili possono captare solo i segnali L1, mentre quelli militari entrambi.

PERCENTUALE DI ERRORE
Questa lista mostra l'influenza esercitata da varie fonti di errore sull'accuratezza del calcolo di posizione:

FONTE DI ERRORE E AMPIEZZA
_________________________________
Orologi satellitari___________ 1,5 mt
Errori orbitali______________ 2,5 mt
Inososfera________________ 5,0 mt
Troposfera _______________ 0,5 mt
Errore da percorso multiplo__ 0,5 mt
.................................................. ......

LA GEOMETRIA SATELLITARE
Quando si ottiene il punto di una posizione usando due rilevamenti di bussola che si intersecano, il margine di errore diminuisce se i rilevamenti sono a circa 90° l'uno dall'altro. Allo stesso, modo esiste una geometria ideale per la disposizione dei quattro satelliti necessari per calcolare in modo accurato la propria posizione. La geometria ideale si ha quando un satellite si trova direttamente sopra il ricevitore e gli altri tre si trovano disposti attorno all'orizzonte a distanze costanti.
Quando si accende il ricevitore, questo va a cercare i quattro satelliti disposti secondo la geometria migliore, ignorando gli altri. Se il segnale di questi viene a mancare per vari motivi (ad esempio una montagna che copre il cielo), verranno utilizzati al meglio gli altri satelliti disponibili. In questo caso si parla di errore chiamato Geometric Diluition of Precision (GDOP).

ERRORE DA PERCORSO MULTIPLO
Nella fase finale del percorso dal satellite al ricevitore, il segnale può venire riflesso da montagne, edifici o altre strutture elevate. Questo significa che il ricevitore può captare 2 o più volte lo stesso segnale ( il primo diretto dal satellite, gli altri riflessi). Un effetto simile lo si ottiene con le immagini fantasma che compaiono sullo schermo della televisione quando l'antenna è orientata in modo da captare i segnali riflessi. La maggior parte dei ricevitori GPS non è in grado di eliminare questo errore, quindi attenzione agli ostacoli vicini.

LA DISPONIBILITA' DIFFERENZIATA
Al momento dell'introduzione del GPS, il dipartimento della difesa mantenne un vantaggio militare introducendo deliberatamente un errore casuale nei segnali dei ricevitori civili. I ricevitori militari potevano calcolare la posizione con uno scarto di 15 mt, quelli civili attorno ai 100 mt; nel maggio 2000, questo errore è stato eliminato aumentando la precisione a tutti.

COME FUNZIONA UN RICEVITORE GPS
Nonostante un uso massiccio della tecnologia più moderna, il GPS si basa sullo stesso principio della triangolazione per determinare la posizione usando due o più rilevamenti con la bussola che si intersecano. La bussola permette di misurare il rilevamento da un punto di riferimento conosciuto per fornire una linea di posizione. Un ricevitore GPS misura la distanza da un punto di riferimento conosciuto per fornire una sfera di posizione. Come due rilevamenti di bussola s'intersecano in un unico punto sulla superficie terrestre, così lo fanno anche tre sfere di posizione.
La situzione ideale, sono 4 satelliti disposti sui vertici di un quadrato, con il ricevitore sulla terra (utente) che è il vertice di un'ipotetica piramide che va a congiungersi con i 4 satelliti. Cioé i satelliti devono essere ben distanziati e magari non in linea.
Essendo nota la posizione di ogni satellite singolarmente e rispetto agli altri, e misuarando gli spigoli della piramide, è possibile ricavare la posizione dall'intersezione di 4 o più sfere ognuna centrata su un satellite con un raggio uguale alla distanza istantanea satellite-utente.

MISURARE IL TEMPO E LA DISTANZA
Le onde radio viaggiano alla velocità della luce, circa 300.000 km/s. Un ricevitore GPS misura la distanza che lo separa da un satellite misurando il tempo che il segnale radio impiega per coprire tale distanza, e poi moltiplicandolo per la velocità della luce. L'equazione sarà:

VELOCITA' X TEMPO = DISTANZA
Per esempio se un'auto viaggia a 100 km/h ed il tempo che impiega per viaggiare dal punto A al punto B è uguale a 30 minuti (0,5 ore), allora la distanza tra i due punti sarà: 0,5 x 100 = 50 km.
Ma come è possibile misurare il tempo di viaggio di un segnale radio?
Sappiamo tutti della differenza temporale tra la percezione uditiva e visiva di uno stesso fenomeno ad una certa distanza, come ad esempio un fulmine ed un tuono. Siamo soliti contare i secondi che intercorrono tra il lampo e il tuono che poi moltiplicheremo per la velocità del suono nell'aria di 330 m/s per trovare la distanza. Possiamo usare questo calcolo perché sappiamo quando cominciare a contare.
Immaginiamo, invece, che un ragazzo trasmetta della musica esattamente alle 12:00. Noi ci troviamo a portata d'orecchio, ma non sappiamo la reale distanza che ci separa dalla sorgente sonora. Se il nostro orologio fosse esattamente sincronizzato con quello del ragazzo, si potrebbe cominciare a trasmettere lo stesso brano musicale esattamente nello stesso momento. In questo caso la musica proveniente dallo stereo del ragazzo ci giungerebbe con un certo ritardo rispetto alla nostra; tale ritardo può essere misurato rallentando il nostro nastro finché non si sincronizza con quello del ragazzo. Questo ritardo può essere usato per calcolare la distanza.
Questo è il principio usato dai ricevitori GPS. Invece della musica, il satellite trasmette un codice pseudo-casuale, ossia una sequenza di numeri codificati. Il ricevitore, il cui orologio interno è perfettamente sincronizzato con l'orologio atomico dei satelliti, controlla il tempo della sequenza, calcola il ritardo e lo moltiplica per la velocità della luce per fornire la distanza.

SINCRONIZZAZIONE DELL'OROLOGIO
Il tempo medio impiegato da un segnale radio per viaggiare dal satellite al ricevitore è di circa 0,06 secondi. Per questo motivo è fondamentale la precisione estrema degli orologi atomici. Questi orologi costano circa 50.000-100.000 Euro. Con una formula matematica, il nostro GPS si puo sincronizzare con gli orologi del satellite acquisendo la necessaria precisione.

POSIZIONE DI UN SATELLITE
Adesso che sappiamo come sia possibile determinare la distanza, vediamo come sia possibile trovare la posizione partendo da satelliti che si trovano a 20.200 km di altezza che orbitano a 2220 km/h.
Il segnale radio trasmesso contiene informazioni riguardanti la posizione e la velocità del satellite e anche del codice pseudo-casuale. Queste informazioni sono chiamate dati delle effemeridi e vengono immagazzinate nel ricevitore GPS tramite un programma almanacco. Questi dati vengono continuamente monitorati dalle stazioni GPS terrestri, e qualunque correzione ai satelliti viene trasmessa ogni ora. Ogni volta che un GPS entra in contatto con un satellite, la prima cosa che fa è scaricare gli ultimi dati delle effemeridi ed aggiornare il suo almanacco.

CALCOLO DELLA POSIZIONE
Una volta note distanza e posizione di un satellite, il GPS può tracciare una sfera di posizione attorno a quel punto (il ricevitore quindi deve trovarsi lungo la superficie della sfera). In realtà, il ricevitore si troverà in un punto sopra la superficie terrestre, o molto vicino ad essa; le posizioni GPS sono tridimensionali e includono l'altezza. Con un solo satellite abbiamo un solo cerchio di posizione ( il ricevitore si può trovare in un punto qualsiasi della circonferenza). Con due satelliti, abbiamo due cerchi di posizione intersecantisi; pertanto la posizione è limitata a uno dei due punti di intersezione. Con un terzo satellite si fornisce un ulteriore cerchio di posizione, che stabilisce con esattezza la posizione. In realtà, il terzo satellite fornisce due punti, ma il ricevitore è in grado di accorgersi qual è quello giusto. Per determinare l'altitudine è necessario un quarto satellite.

MODALITA 2D
Quando il campo visivo del cielo è limitato, il ricevitore può trovarsi a captare i segnali trasmessi solo da tre satelliti. In questo caso un satellite sarà usato per la sincronizzazione dell'orologio interno, e gli altri due per determinare la posizione; l'altitudine non verrà determinata. In questo caso avremo una posizione bidimensionale (2D). Normalmente dovrebbe apparire la scritta 2D sullo schermo del ricevitore. Il margine di errore è quindi molto elevato e il consiglio è di spostarsi in un area più aperta.

TIPI DI GPS
I ricevitori gps si possono suddividere in varie tipologie ( come accennato prima ):
- Non cartografici
- Cartografici
- Altri sistemi
e volendo, per il loro campo di specializzazione.

I ricevitori non cartografici si "limitano" a fornire dei dati relativi alla posizione e utili alla navigazione senza la possibilità di caricare anche delle mappe. Limitano è riduttivo perché ricevitori base come il Foretrex sono in grado di offrire ben 31 tipi di informazioni diverse.

I ricevitori cartografici, permettono di caricare ed utilizzare cartografia varia nella memoria interna o su scheda di memoria. In questo modo, oltre alle "semplici" informazioni sulla navigazione fornite di base, possiamo vedere direttamente sullo schermo la mappa del luogo ( ammesso che sia presente, ovviamente ). Aumentiamo così l'efficacia e la sicurezza della navigazione potendo confrontare direttamente la posizione sulla carta. Come spiegato precedentemente, sarebbe meglio portare anche una classica carta nello zaino nel caso siamo impossibilitati ad utilizzare il ricevitore a causa di guasti, batterie esaurite, perdita del ricevitore, ecc.
Relativamente a questa tipologia di ricevitore, è bene dire che i produttori di gps ( almeno attualmente ) forniscono esclusivamente cartografia di tipo vettoriale e proprietaria. Con proprietaria si intende che viene prodotta in un formato scelto dal produttore stesso e utilizzabile sul ricevitore inviandola sempre tramite un software proprietario fornito a corredo. La cartografia vettoriale è composta da un insieme di elementi ( punti, linee, poligoni ) con le loro coordinate nello spazio: si tratta di una cartografia "spartana" e semplificata. Si contrappone alla cartografia raster formata da un'insieme di punti ( pixel ) che non sono altro che le classiche immagini che utilizziamo tutti i giorni ( una scansione nel classico formato jpg crea un'immagine raster ). Quindi, bisogna calcolare anche l'impatto visivo e abituarcisi.
La cartografia vettoriale, poi è, sempre attualmente, rivolta ( esclusivamente ?? ) alla rete stradale: chi intendesse servirsene per un'utilizzo escursionistico in montagna o altre zone impervie, deve valutare la possibilità di crearsi da se la propria cartografia: un'operazione che può richiedere tempo, ma se fatta per la zona che si è soliti frequentare, può valerne la pena. Altrimenti, bisogna confidare in nuovi progetti, come si sta facendo per il sistema Mynav.
E' possibile, quindi, crearsi la propria cartografia vettoriale ed inviarla al ricevitore anche senza il sw fornito a corredo dello stesso. Le maggiori risorse si trovano presso Italymaps e su Sahara.it ( da vedere le varie guide).

Altri sistemi comprendono quei ricevitori formati da apparecchiature elettroniche nate con altri motivi dall'essere un gps puro, ma adattate ed utilizzare allo scopo. Queste possono essere i palmari, i gps tramite cellulare o altri apparati. Nel forum è trattato come creare un sistema gps tramite cellulare Nokia e sistema operativo Symbian. come si può vedere anche dai link in fondo.

Pro e contro:
un ricevitore vero e proprio è costruito per essere utilizzato in condizioni impegnative come escursioni in montagna. Pertanto sarà particolarmente robusto ed impermeabile. Questa tipologia di ricevitori soddisfa solitamente alcune classi di protezione, tipicamente la IPX7 - Protetto contro gli effetti dell'immersione temporanea - Immersione per 30 minuti alla profondità di 1 metro.
Al contrario, i sistemi palmari o su cellulari, sebbene abbiano il vantaggio di poter avere con se anche il telefono e vari applicativi, sono solitamente costruiti per resistere ad una vita più tranquilla e non per essere esposti alle situazioni impegnative di un'escursione. Difatti, i palmari sono solitamente piuttosto fragili, come pure i cellulari. E' anche molto facile che in un cellulare entri facilmente la polvere tramite gli spazi della tastiera. In questo caso, l'ideale è aggiungere un vero e proprio guscio (armatura) soprattutto se siamo solito fissarlo sul manubrio della bici, con i relativi rischi di cadute (anche per un ricevitore normale è una buona idea). Questi ricevitori hanno però, solitamente, la possibilità di usare la classica cartografia che siamo abituati ad usare, tramite una semplice scansione delle nostre carte, per esempio.

Quindi? Entrambe le soluzioni sono valide (sperimentato), ma dovendo scegliere a tutti i costi, meglio orientarsi su un vero ricevitore, in particolare se dobbiamo utilizzarlo molto in escursioni impegnative. Nessuno, impedisce di portare allo stesso tempo un classico ricevitore ed un gps basato su cellulare o palmare.

Il campo di specializzazione
A differenza dei primi modelli, ormai si è soliti creare ricevitori dedicati ad un certa situazione. Il gps non fornisce più esclusivamente dei dati relativi alla navigazione, ma fornisce funzioni specifiche: ecco che abbiamo, ad esempio, gps dedicati all'allenamento. Possiamo allora trovare gps che si interfacciano a cardiofrequenzimenti e sw di allenamento in modo da memorizzare dati fisiologici e confrontarli in ogni punto del percorso. Ricevitori come i Garmin Edge ( Link1, Link2 ) utilizzano la funzione di Virtual Partner, un compagno virtuale che seguirà un percorso impostato in modo da utilizzarlo come riferimento. Grazie al sistema gps , saranno sempre confrontate posizione attuale con quella impostate per il partner in modo da creare un confronto in tempo reale.

Altri gps dedicati sono http://www.frwd.fi/ . Non è infrequente trovare funzionalità gps anche in orologi come Suunto, Timex.

Soluzioni basate sui Rhino della Garmin permettono di integrare la tecnologia gps all'interno di radio ricetrasmittenti: oltre a comunicare con una persona dotata del medesimo apparato, possiamo visualizzarne anche la posizione rispetto a noi.
Sistemi gps basati su cellulare tramite sw come Smartcomgps, permettono di inviare ad intervalli prestabiliti, SMS contenenti la propria posizione ad un'altro cellulare. In caso di necessità, è possibile ricostruire il percorso per un eventuale soccorso.


I PRODUTTORI DEI RICEVITORI GPS PORTATILI
Questi sono i principali produttori di ricevitori GPS portatili:
Brunton: www.brunton.com
Garmin: www.garmin.com
Lowrance: www.lowrance.com
Magellan: www.magellangps.com
Silva: www.silva.com

LINK UTILI
Link relativi al mondo gps. Dagli stessi siti è possibile utilizzare i link da loro proposti:
Forum: http://www.bike-board.net/community/...ad.php?t=27608 - Link utili per il mondo GPS.
Forum: Sistema gps basato su cellualari Nokia: discussione. Altro.
GPScomefare: www.gpscomefare.com - Il sito italiano per utenti gps.
Compegps: www.compegps.com - Uno dei migliori sw cartografici.
Smartcomgps: www.wild-mobile.com - Smartcomgps, uno dei più noti sw cartografici per cellulari Nokia con sistema operativo Symbian
Oziexplorer: www.oziexplorer.com - Il sito del noto programma cartografico.
GPSInfo: http://gpsinformation.net/ - Grande quantità di informazioni (In inglese).


Fonti: Guida all'avventura / Varie
PEDALO PER PASSIONE NON PER COMPETIZIONE
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E PER LA FORZA DI UNA PAROLA IO RICOMINCIO LA MIA VITA, SONO NATO PER CONOSCERTI, PER CHIAMARTI LIBERTA'
Lapide sul Monte Grappa - Pedalata del 2 agosto 2014
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